В химии , А карбид обычно описывает соединение , состоящее из углерода и металла. В металлургии , carbiding или цементации является способ получения карбида покрытий на металлической части. [1]
Промежуточные / металлические карбиды [ править ]
Карбиды переходных металлов 4, 5 и 6 групп (за исключением хрома) часто описываются как соединения внедрения . [2] Эти карбиды обладают металлическими свойствами и являются тугоплавкими . Некоторые из них демонстрируют диапазон стехиометрии , представляя собой нестехиометрическую смесь различных карбидов, возникающих из-за дефектов кристаллов. Некоторые из них, например карбид титана , TiC и карбид вольфрама, имеют важное промышленное значение и используются для покрытия металлов в режущих инструментах. [3]
Давно распространено мнение, что атомы углерода входят в октаэдрические промежутки в плотноупакованной металлической решетке, когда радиус атома металла больше примерно 135 пм: [2]
- Когда атомы металла имеют кубическую плотную упаковку (ccp), то заполнение всех октаэдрических пустот углеродом достигает стехиометрии 1: 1 со структурой каменной соли.
- Когда атомы металла являются гексагональной плотной упаковкой (ГПУ), так как октаэдрических лежат непосредственно напротив друг друга по обе стороны от слоя атомов металла, заполняя только один из них с углеродом достигает 2: 1 стехиометрии с CdI 2 структуры .
В следующей таблице [2] [3] показаны фактические структуры металлов и их карбидов. (Обратите внимание: объемноцентрированная кубическая структура, принятая ванадием, ниобием, танталом, хромом, молибденом и вольфрамом, не является решеткой с плотной упаковкой.) Обозначение «h / 2» относится к структуре типа M 2 C, описанной выше, которая является только примерное описание реальных конструкций. Простое представление о том, что решетка чистого металла "поглощает" атомы углерода, можно рассматривать как неверное, поскольку упаковка решетки атомов металла в карбидах отличается от упаковки в чистом металле, хотя технически правильно, что углерод атомы помещаются в октаэдрические пустоты плотноупакованной металлической решетки.
Металл | Структура чистого металла | Металлический радиус (пм) | Упаковка атомов металла MC | Структура MC | Упаковка атома металла M 2 C | Конструкция M 2 C | Прочие карбиды |
---|---|---|---|---|---|---|---|
титан | hcp | 147 | ccp | каменная соль | |||
цирконий | hcp | 160 | ccp | каменная соль | |||
гафний | hcp | 159 | ccp | каменная соль | |||
ванадий | скрытая копия | 134 | ccp | каменная соль | hcp | ч / 2 | В 4 С 3 |
ниобий | скрытая копия | 146 | ccp | каменная соль | hcp | ч / 2 | Nb 4 C 3 |
тантал | скрытая копия | 146 | ccp | каменная соль | hcp | ч / 2 | Та 4 С 3 |
хром | скрытая копия | 128 | Cr 23 C 6 , Cr 3 C, Cr 7 C 3 , Cr 3 C 2 | ||||
молибден | скрытая копия | 139 | шестиугольный | hcp | ч / 2 | Пн 3 С 2 | |
вольфрам | скрытая копия | 139 | шестиугольный | hcp | ч / 2 |
Долгое время считалось, что нестехиометрические фазы разупорядочены со случайным заполнением пустот, однако обнаружено ближнее и дальнее упорядочение. [4]
Железо образует ряд карбидов Fe 3 C, Fe 7 C 3 и Fe 2 C. Наиболее известным является цементит Fe 3 C, который присутствует в сталях. Эти карбиды более реактивны, чем карбиды внедрения; например, карбиды Cr, Mn, Fe, Co и Ni все гидролизуются разбавленными кислотами, а иногда и водой, с образованием смеси водорода и углеводородов. Эти соединения имеют общие черты как с инертными вставками, так и с более реакционноспособными солеподобными карбидами. [2]
Считается, что некоторые металлы, такие как свинец и олово , ни при каких обстоятельствах не образуют карбиды. [5] Однако существует смешанный карбид титана и олова, который является двумерным проводником. [6]
Химическая классификация карбидов [ править ]
Карбиды обычно можно классифицировать по типу химических связей следующим образом: (i) солеподобные (ионные), (ii) ковалентные соединения , (iii) межузельные соединения и (iv) «промежуточные» карбиды переходных металлов . Примеры включают карбид кальция (CaC 2 ), карбид кремния (SiC), карбид вольфрама (WC; часто называют просто карбидом, когда речь идет о станкостроении) и цементит (Fe 3 C) [2], каждый из которых используется в ключевых промышленных приложениях. . Название ионных карбидов не носит систематического характера.
Солевидные / солевые / ионные карбиды [ править ]
Солевидные карбиды состоят из очень электроположительных элементов, таких как щелочные металлы , щелочноземельные металлы и металлы 3 группы, включая скандий , иттрий и лантан . Алюминий из группы 13 образует карбиды , а галлий , индий и таллий - нет. Эти материалы имеют изолированные углеродные центры, часто описываемые как «C 4– » в метанидах или метидах; двухатомные единицы, " C"2-
2"в ацетилидах и трехатомных единицах" C4-
3", в аллилидах. [2] Соединение интеркаляции графита KC 8 , полученное из паров калия и графита, и производные щелочного металла C 60 обычно не классифицируются как карбиды. [7]
Метаниды [ править ]
Метаниды - это подмножество карбидов, отличающихся своей склонностью к разложению в воде с образованием метана . Три примера - карбид алюминия Al
4C
3, карбид магния Mg
2C [8] и карбид бериллия Be
2C .
Карбиды переходных металлов не являются солевыми карбидами, но их реакция с водой очень медленная, и ею обычно пренебрегают. Например, в зависимости от пористости поверхности 5–30 атомных слоев карбида титана гидролизуются с образованием метана в течение 5 минут в условиях окружающей среды с последующим насыщением реакции. [9]
Обратите внимание, что метанид в этом контексте - банальное историческое название. Согласно правилам систематического наименования ИЮПАК такое соединение, как NaCH 3 , будет называться «метанидом», хотя это соединение часто называют метилнатрием. [10]
Ацетилиды / этиниды [ править ]
Предполагается, что некоторые карбиды являются солями ацетилид-аниона C 2 2– (также называемого перкарбидом), который имеет тройную связь между двумя атомами углерода. Щелочные металлы, щелочноземельные металлы и лантаноиды металлы образуют ацетилениды, например, карбид натрия Na 2 C 2 , карбид кальция СаС 2 и LAC 2 . [2] Лантаноиды также образуют карбиды (сесквикарбиды, см. Ниже) с формулой M 2 C 3 . Металлы из группы 11 также имеют тенденцию к образованию ацетилидов, таких как ацетилид меди (I) и ацетилид серебра.. Карбиды актинидных элементов , которые имеют стехиометрию MC 2 и M 2 C 3 , также описываются как солеподобные производные C2-
2.
Длина тройной связи CC колеблется от 119,2 пм в CaC 2 (аналогично этину) до 130,3 пм в LaC 2 и 134 пм в UC 2 . Связывание в LaC 2 было описано в терминах La III с дополнительным электроном, делокализованным на разрыхляющую орбиталь на C2-
2, объясняя металлическую проводимость. [2]
Аллилиды [ править ]
Многоатомные ионы С4-
3, иногда называемый аллилидом , содержится в Li 4 C 3 и Mg 2 C 3 . Ион линейен и изоэлектронен с CO 2 . [2] Расстояние CC в Mg 2 C 3 составляет 133,2 пм. [11] Mg 2 C 3 дает метилацетилен , CH 3 CCH, и пропадиен , CH 2 CCH 2 , при гидролизе, что было первым признаком того, что он содержит C4-
3.
Ковалентные карбиды [ править ]
Карбиды кремния и бора описываются как «ковалентные карбиды», хотя практически все соединения углерода проявляют некоторый ковалентный характер. Карбид кремния имеет две похожие кристаллические формы, обе связаны со структурой алмаза. [2] Карбид бора , B 4 C, с другой стороны, имеет необычную структуру, которая включает икосаэдрические звенья бора, связанные атомами углерода. В этом отношении карбида бора похож на боре богатых бориды . Карбид кремния (также известный как карборунд ) и карбид бора - очень твердые и тугоплавкие материалы.. Оба материала важны в промышленном отношении. Бор также образует другие ковалентные карбиды, например B 25 C.
Молекулярные карбиды [ править ]
Комплексы металлов, содержащие C, известны как карбидокомплексы металлов . Наиболее распространены октаэдрические кластеры с углеродным центром, такие как [Au 6 C (PPh 3 ) 6 ] 2+ и [Fe 6 C (CO) 6 ] 2– . Подобные разновидности известны для карбонилов металлов и ранних галогенидов металлов. Было выделено несколько концевых карбидов, например [CRuCl 2 {P (C 6 H 11 ) 3 } 2 ].
Металлокарбоэдрины (или «меткары») представляют собой стабильные кластеры с общей формулой M
8C
12 где M - переходный металл (Ti, Zr, V и т. д.).
Связанные материалы [ править ]
Помимо карбидов, существуют другие группы родственных углеродных соединений: [2]
- соединения интеркалирования графита
- фуллериды щелочных металлов
- эндоэдральные фуллерены , в которых атом металла заключен в молекулу фуллерена
- металлакарбоэдрены (меткарбоны), представляющие собой кластерные соединения, содержащие звенья C 2 .
- настраиваемый нанопористый углерод , при котором газовое хлорирование карбидов металлов удаляет молекулы металла с образованием высокопористого, почти чистого углеродного материала, способного накапливать энергию высокой плотности.
- карбеновые комплексы переходных металлов .
- двумерные карбиды переходных металлов: MXenes
См. Также [ править ]
- Каппа-карбиды
Ссылки [ править ]
- ^ Кунст, Гельмут; Хаазе, Бриджит; Маллой, Джеймс С.; Виттель, Клаус; Nestler, Montia C .; Николл, Эндрю Р .; Эрнинг, Ульрих; Раушер, Герхард (2006). «Металлы, обработка поверхности». Энциклопедия промышленной химии Ульмана . Вайнхайм: Wiley-VCH. DOI : 10.1002 / 14356007.a16_403.pub2 .
- ^ a b c d e f g h i j k Гринвуд, Норман Н .; Эрншоу, Алан (1984). Химия элементов . Оксфорд: Pergamon Press . С. 318–22. ISBN 978-0-08-022057-4.
- ^ a b Питер Эттмайер; Уолтер Ленгауэр (1994). «Карбиды: химия твердого тела переходных металлов». В Р. Брюс Кинг (ред.). Энциклопедия неорганической химии . Джон Вили и сыновья. ISBN 978-0-471-93620-6.
- ^ CH de Novion; JP Landesman (1985). «Порядок и беспорядок в карбидах и нитридах переходных металлов: экспериментальные и теоретические аспекты». Pure Appl. Chem . 57 (10): 1391. DOI : 10,1351 / pac198557101391 . S2CID 59467042 .
- ^ Джон Перси (1870). Металлургия свинца, включая десиверизацию и купелирование . Лондон: Дж. Мюррей. п. 67 . Проверено 6 апреля 2013 .
- ^ YC Zhou; HY Dong; Б. Х. Ю (2000). «Разработка двумерных пластин карбида титана и олова (Ti2SnC) на основе исследования электронной структуры». Инновации в исследованиях материалов . 4 (1): 36–41. DOI : 10.1007 / s100190000065 . S2CID 135756713 .
- ^ Шрайвер и Аткинс - Неорганическая химия
- ^ О.О. Куракевич; Т.А. Штробель; Д.Я. Ким; Г. Д. Коди (2013). «Синтез Mg2C: метанид магния». Angewandte Chemie International Edition . 52 (34): 8930–8933. DOI : 10.1002 / anie.201303463 . PMID 23824698 .
- ^ А.И. Августиник; Г.В. Дроздецкая; С.С. Орданьян (1967). «Реакция карбида титана с водой» . Порошковая металлургия и металлокерамика . 6 (6): 470–473. DOI : 10.1007 / BF00780135 (неактивный 2021-01-14).CS1 maint: DOI неактивен с января 2021 г. ( ссылка )
- ^ Вайс, Эрвин; Корбелин, Зигфрид; Кокрофт, Джереми Карл; Фитч, Эндрю Николас (1990). "Über Metallalkyl- und -aryl-Verbindungen, 44 Darstellung und Struktur von Methylnatrium. Strukturbestimmung an NaCD3-Pulvern bei 1.5 and 300 K durch Neutronen- und Synchrotronstrahlenbeugung". Chemische Berichte . 123 (8): 1629–1634. DOI : 10.1002 / cber.19901230807 . ISSN 0009-2940 .
- ^ Fjellvag H .; Павел К. (1992). «Кристаллическая структура сесквикарбида магния». Неорг. Chem . 31 (15): 3260. DOI : 10.1021 / ic00041a018 .